Розрахунок та проектування абсорбційної установки для вловлювання NH3 з повітряної суміші водою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Завдання

Розрахувати та запроектувати абсорбційну установку для вловлювання NH₃ з повітряної суміші водою за таких умовах:

-Продуктивність по газу за нормальних умов, V = 1200 м³/год;

-Вміст NH₃ в суміші на вході в абсорбер, Y_n = 6,3%(об.);

-Степінь вловлювання, С₀ = 95,0 %;

Абсорбція проводиться при середній температурі Т_сер = 20°С. Тиск газу, який надходить на абсорбцію вибрати і обґрунтувати. Тип колони - тарілчастий. Тип елементів - ковпачковий.

Тарілчастий абсорбер ковпачкового типу.

V(продуктивність за газом за нормальних умов, м3/год)	А (компонент)	yn(вміст компонента А в суміші на вході в абсорбер, % об.)	с0 (ступінь вловлювання,%)	Тсер	Тип колони	Тип елементів
1200	NH3	6.3	95.0	20	Т (тарілчастий абсорбер)	К(ковпачкові) (тарілки тарілчастої колони)

Розділ 1

Загальні відомості. Абсорбцією називають поглинання газів або пари з газових або парогазових сумішей рідкими поглиначами (абсорбентами). Вона є видом процесу масоперенесення. Під час фізичної абсорбції газ, що поглинається (абсорбтив) не взаємодіє хімічно з абсорбентом. Якщо абсорбент утворює з абсорбтивом хімічну сполуку, то процес називають хемосорбцією.

Фізична абсорбція зазвичай є процесом зворотним. На цій властивості абсорбційних процесів ґрунтується видалення поглинутого газу з розчину -десорбція. У промисловості процеси абсорбції застосовують для вилучення цінних компонентів з газової суміші. Наприклад, абсорбція SO₃ у виробництві сірчаної кислоти; абсорбція HCl з отриманням соляної кислоти; абсорбція окислів азоту водою у виробництві азотної кислоти; абсорбція NH₃, парів C₆H₆, H₂S інших компонентів з коксового газу; абсорбція пари різних вуглеводнів з газів переробки нафти. Крім того, абсорбційні процеси використовують для очищення відхідних газів від шкідливих домішок. Наприклад, очищення пальних газів від SO₂; очищення газів від фтористих сполук, що виділяються у виробництві мінеральних добрив.

В багатьох випадках поглинання газу рідиною супроводжується хімічною взаємодією фаз. При протіканні реакції в рідкій фазі частина газоподібного компоненту переходить в зв'язаний стан. При цьому концентрація вільного компоненту в рідині зменшується, що призводить до прискорення процесу абсорбції оскільки збільшується рушійна сила процесу. Швидкість хемосорбції залежить як від швидкості реакції, так і від швидкості масо передачі між фазами. В залежності від того, який процес визначає загальну швидкість процесу переносу маси, розрізняють кінетичну і дифузійну області протікання хемосорбційних процесів. В кінетичній області швидкість власне хімічної взаємодії менша швидкості масопередачі і тому лімітує швидкість цього процесу.

Кількість компоненту, що перейшов з газової фази, складає:

M = G·(y_п- у_к)

Рушійною силою процесу абсорбції (рис.1) в будь-якому перерізі абсорбційної колони є різниця між робочою та рівноважною концентраціями (y_робy_рівн). Рушійна сила змінюється по висоті абсорбера. Чим більша різниця між рівноважною та робочою концентраціями, тим інтенсивніше відбувається перехід компонента з газової фази в рідку.

Абсорбери. Апарати, в яких здійснюється процес абсорбції, називають абсорберами. Як і інші процеси масоперенесення, абсорбція відбувається на границі розділення фаз. Тому абсорбери повинні мати розвинену поверхню контакту між рідиною та газом. За способом утворення такої поверхні абсорбери умовно поділяють на такі групи: 1) поверхневі та плівкові; 2) насадкові; 3) барботажні (тарілчасті); 4) розпилювальні.

Варто зазначити, що конструкції абсорберів, наведені нижче, часто використовуються також для проведення інших масообмінних процесів.

Поверхневі та плівкові абсорбери. У поверхневих та плівкових абсорберах поверхнею контакту фаз є дзеркало нерухомої або повільно рухливої рідини, або поверхня рідкої плівки.

Поверхневі абсорбери: використовують для поглинання добре розчинних газів. У таких апаратах газ проходить над поверхнею повільно рухомої або нерухомої рідини (рис 1). Оскільки поверхня контакту в таких абсорберах є незначною, то встановлюють декілька послідовно з'єднаних апаратів, в яких газ та рідина рухаються протитоком. Для того, щоб рідина сама перемішувалася абсорберами, кожен наступний апарат розміщують нижче від попереднього. Для відведення тепла, що виділяється під час абсорбції, в апаратах встановлюють змійовики, які охолоджуються водою або іншим холодоагентом, або занурюють абсорбери в ємності з проточною водою.

Рис. 1. Поверхневий абсорбер

Пластинчастий абсорбер: (рис 2) складається з двох систем каналів: канали 1 більшого перерізу рухаються протитоком газ та абсорбент, канали 2 меншого перерізу - холодоагент, зазвичай - вода.

Рис 2. Пластинчатий абсорбер: 1-канали для проходження газу та абсорбенту; 2-канали для протікання охолоджуючого агента (води).

Пластинчаті абсорбери виготовляють з графіту, оскільки він є хімічно стійким матеріалом, що добре проводить тепло.

Поверхневі абсорбери застосовують обмежено через їх низьку ефективність та великі габарити.

Плівкові абсорбери: ці апарати ефективніші та компактніші, ніж поверхневі абсорбери. У плівкових абсорберах поверхнею контакту фаз є поверхня текучої плівки рідини. Апарати такого типу поділяються на: 1) трубчасті абсорбери; «0 абсорбери з плоско-паралельною або листовою насадкою; 3) абсорбери, в яких плівка рідини рухається догори.

Трубчастий абсорбер: (рис 3) за конструкцією нагадує вертикальний кожухотрубний теплообмінник. Абсорбент надходить на верхню трубну решітку, розподіляється по трубам та стікає їх внутрішньою поверхнею тонкою плівкою. В апаратах з більшою кількістю труб для рівномірнішої подачі використовують спеціальні розподільні пристрої. Газ рухається трубами знизу догори назустріч плівці рідини, що стікає. Для відведення тепла абсорбції міжтрубним простором циркулює вода або інший холодоагент.

Рис 3. Трубчастий абсорбер

Абсорбер з плоско-паралельною насадкою: (рис 4) Цей апарат є колоною з листовою насадкою 1 у вигляді вертикальних листів з різного матеріалу (метал, пластмаса та ін.) або натягнутої тканини. В верхній частині абсорбера знаходяться розподільчі пристрої 2 для рівномірного змочування листової насадки з обох сторін.



Рис. 4 Абсорбер з плоско-паралельною насадкою: 1-листова насадка; 2-розподільний пристрій.

Абсорбери з висхідним рухом плівки: (рис 5) складається з труб 1, що закріплені в трубних решітках 2. Газ з камери 3 проходить патрубками 4, які розміщені на одній осі з трубами 1. Абсорбент надходить в труби крізь щілини 5.

Рис 5. Абсорбер з висхідним рухом плівки: 1-труби; 2-трубна решітка; 3-камера; 4-патрубок для подачі газу; 5-щілина для подачі абсорбенту.

1.1 Принцип роботи тарілчастого абсорбера

Тарілчасті колони зі зливними пристроями. У таких колонах переливання рідини з тарілки на тарілку здійснюється за допомогою спеціальних пристроїв - наприклад, зливних трубок. Нижні кінці трубок занурені в стакан, який знаходиться на нижніх тарілках, і утворюють гідравлічні затвори, що виключають можливість проходження газу через такий пристрій.

Принцип роботи на прикладі абсорбера з сітчастими тарілками: Рідина надходить на верхню тарілку апарату, зливається з тарілки на тарілку через переливний пристрій і видаляється з нижньої частини колони. Газ надходить в нижню частину апарату, проходить послідовно крізь отвори або ковпачки кожної тарілки. При цьому газ розподіляється у вигляді бульбашок чи струменів в шарі рідини на тарілці, утворюючи на ній шар піни, що є основою масообміну та теплообміну на тарілці. Відібраний газ видаляється згори колони. Переливні трубки розміщено на тарілках так, щоб рідина на сусідніх тарілках проходила у протилежних напрямках.

В моєму курсовому проекті розглядається колона з ковпачковими тарілками. В ковпачкових тарілках газ барботує крізь рідину з прорізів ковпачків, які має кожна тарілка. У прорізах газ дробиться на дрібні струмені, які після виходу з прорізу майже відразу піднімаються вгору і, проходячи через шар рідини на тарілці, зливаються один з одним.

Колони з ковпачковими тарілками (рис 6) містять тарілки 1 з патрубками 2, які закриті ковпачками 3. Нижні краї ковпачків мають зубці або прорізи у вигляді вузьких вертикальних щілин. Рідина перетікає з тарілки на тарілку переливними трубами 4. Рівень рідини на тарілці відповідає висоті, на яку верхні кінці патрубків переливних труб виступають над тарілкою. Щоб рідина перетікала тільки переливними трубами, а не через патрубки 2, верхні кінці повинні бути вищими від рівня рідини. Нижні краї ковпачків занурені в рідину так, щоб рівень рідини був вищим від вершини прорізів.

Рис 6. Колона з ковпачковими тарілками: 1 - тарілка; 2 - патрубки; 3 - ковпачки; 4 - переливні труби;

Газ проходить патрубками 2 в простір під ковпачками і, виходячи через отвори між зубцями або через прорізи в ковпачках, барботує крізь шар рідини. Щоб газ не потрапляв у переливні труби і не перешкоджав у такий спосіб нормальному перетіканню рідини на тарілку, нижні кінці переливних труб є опущеними нижче від рівня рідини. Завдяки цьому створюється гідрозатвор, що запобігає проходженню газу крізь переливні труби.

Розділ 2. Характеристика речовини

Дані про речовину. Аміак(NH₃) -- неорганічна сполука, безбарвний газ із різким задушливим запахом, легший за повітря, добре розчинний у воді. Одержують каталітичним синтезом з азоту і водню підтиском. Використовують переважно для виробництва азотних добрив, вибухових речовин і азотної кислоти. Рідкий аміак використовується в холодильних установках. Водний розчин аміаку (нашатирний спирт) застосовується в медицині.

Аміак -- безбарвний газ з характерним різким запахом і їдким смаком. Він майже у два рази легший від повітря. При ?33,35 °С і звичайному тиску аміак скраплюється в безбарвну рідину, а при ?77,75 °C замерзає, перетворюючись у безбарвну кристалічну масу. Його зберігають і транспортують у рідкому стані в сталевих балонах під тиском 6--7 атм.

У воді аміак розчиняється дуже добре: при 0 °С і звичайному тиску в 1 об'ємі води розчиняється близько 1200 об'ємів NH3, а при 20 °С -- 700 об'ємів. Концентрований розчин містить 25% NH3 і має густину 0,91 г/см3. Розчин аміаку у воді називають аміачною водою або нашатирним спиртом. Звичайний медичний нашатирний спирт містить до 10%: NH3, амічна вода від 10% і більше. При нагріванні розчину аміак легко випаровується.

В лабораторних умовах аміак добувають звичайно нагріванням суміші хлориду амонію NH4Cl з гідроксидом кальцію Ca(OH)2. Процес утворення аміаку при цьому відбувається в дві стадії: спочатку виникає гідроксид амонію, а потім він розкладається з виділенням аміаку:

Ca(OH)2 + NH4Cl = CaCl2 + NH3 + H2O.

Інколи аміак добувають нагріванням до кипіння концентрованого розчину аміаку (гідроксиду амонію).

У техніці головним способом добування аміаку є прямий синтез його з азоту і водню за реакцією:

N2 + 3H2 ? 2NH3

Ця реакція відбувається лише при дуже високих тисках (кількасот атмосфер), високій температурі і наявності каталізатора.

На сучасних заводах синтез проводять у більшості випадків при тисках 250-350 атм, а інколи навіть при 700-1000 атм. Чим більший тиск, тим більше рівновага реакції зміщується в бік утворення NH3, тобто в бік збільшення виходу аміаку. Але процес при дуже високих тисках дуже дорогий і економічно невигідний. Температуру підтримують близько 400-450°С. Нижче 400°С реакція відбувається дуже повільно, а вище 450-500°С аміак помітно розкладається на азот і водень. Каталізатором служить губчасте залізо з домішками оксидів калію, алюмінію й інших речовин.

При цьому слід ще раз відмітити, що не вся азотоводнева суміш перетворюється в аміак навіть при найвищих тисках. Частина її залишається непрореагованою. Тому одержуваний аміак відділяють від непрореагованої суміші скрапленням його під тиском, а до решти суміші додають нові порції азото-водневої суміші і знову направляють на синтез.

Значні кількості аміаку одержують як побічний продукт при коксуванні кам'яного вугілля, в якому міститься від 1 до 2,5% азоту. При коксуванні вугілля більша частина цього азоту виділяється у вигляді аміаку. Його видаляють, з коксового газу пропусканням газу через воду. Аміачну воду нейтралізують сульфатною кислотою і одержують сульфат амонію.

Молекули аміаку утворюються за допомогою ковалентних зв'язків. Електронна і структурна формули молекули аміаку такі:



Однак зв'язки N -- Н в молекулі аміаку полярні, оскільки електронна пара зміщена до атома азоту. Тому атом азоту має негативний заряд, а атом водню -- позитивний. У хімічному відношенні аміак є відновником, а сам звичайно окиснюється до вільного азоту. Так, в атмосфері кисню аміак горить за реакцією:

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O

абсорбер амоніак хімічний молекула

Амоніак також легко відновлює монооксид міді до металічної міді при високій температурі за реакцією:

2NH₃ + 3CuO N₂ + 3Cu + 3H₂O

Амоніак -- один з найважливіших продуктів сучасної хімічної промисловості. Зріджений аміак і водний розчин аміаку застосовують безпосередньо як азотне добриво.

2.1 Опис схеми процесу абсорбції

Газоповітряна суміш за допомогою газодувки ГД (2) подається в барботажнийабсорбер А (1) із ковпачковими тарілками. У верхню частину абсорбера відцентровим насосом Н (3) подається вода. Вода стікає по тарілках донизу, а назустріч їй рухається газоповітряна суміш. Під час взаємодії фаз аміак розчиняється у воді й повітря очищується. Вода, насичена аміаком, самопливом надходить у приймальну ємкість ПЄ (4), а очищене повітря викидається в атмосферу. Водяний розчин аміаку за температури 20 °С є корозійно-активною речовиною, тому для основних деталей вибираємо нержавіючу сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, яка є стійкою в сильно агресивних середовищах до температури 600 °С.

Рисунок 7. Принципова технологічна схема абсорбера з ковпачковими тарілками: 1 - абсорбер; 2- газодувка; 3 - відцентровий насос; 4 - приймальна ємність.

Розділ 3. Розрахунок абсорбера

Технологічний розрахунок

Мета технологічного розрахунку - визначення масопередачі і геометричних розмірів апарата.

Поверхню масо передачі можна знайти з основного рівняння масопередачі:

,

де К_х і К_у - коефіцієнти масопередачі відповідно по рідкій і газовій фазам, кг/(м²?с);

- середні рушійні сили по фазах, кг/кг; М - кількість аміаку, що поглинається водою за одиницю часу, кг/с.

Маса аміаку, яка поглинається за одиницю часу, і витрата води на абсорбцію

Рівняння матеріального балансу:

M = G(,

де L, G - витрати відповідно чистого поглинача та інертної частини газу, кг/с; М - кількість аміаку, що поглинається водою за одиницю часу, кг/с; X_п, X_к - початкова і кінцева концентрації аміаку у воді, кг NH₃/кг води; ?_п, ?_к - початкова і кінцева концентрації аміаку у газі, кг NH₃/кг повітря.

Виразимо концентрацію поглинутого компоненту NH₃ в рідкій і газовій фазі через масові відношення для поглинутого компоненту у газі:

?_п =

для визначення кінцевого значення знайдемо спочатку витрату поглинаючого компоненту у газі:

G_п

= 0,49 кг/с;

?_п- початкова масова частка поглинутого компоненту у газовій суміші.

Для визначення витрати інертної частини газу G (повітря) проведемо деякі проміжні розрахунки.

Густина аміаку за робочих умов:

= 0,89 кг/м³.

Густина повітря за робочих умов:

= 1,52 кг/м³,

де = 17 кг/кмоль - молекулярна маса аміаку; М_пов = 29 кг/кмоль - молекулярна маса повітря.

Густина газової суміші на вході в абсорбер:

с_сум = у_поч?+ (1 - у_п) с_пов=0,063?0,89 + (1 -0,063)?1,52=1,48 кг/м³.

При потрібній повноті вловлювання (С₀ = 95%) витрата NH₃становить:

= 0,051 кг/с;

Витрата газової суміші, що виходить із абсорбера:

= 0,4729 кг/с;

Масова частка поглинутого компоненту в кінцевій суміші (на виході):

= 0,0019 кг NH₃/кг повітря;

Кінцеве масове відношення NH₃:

= 0,0019 кг NH₃/кгповітря;

Витрата інертного газу:

= 0,46 кг/с;

Масове відношення NH₃ у поглинача Х_п = 0.

Для визначення кінцевої рівноважної концентрації у воді, спочатку знайдемо кінцеву рівноважну концентрацію аміаку у воді в мольних частках:

 = 0,038 кмоль NH₃/кмоль повітря;

= 0,018 кмоль NH₃/кмоль води,

П - тиск в абсорбері, мм рт. ст.; Е -463000 мм рт. ст. - константа Генрі для системи аміак - вода (додаток 5.4).

Відносна масова концентрація:

= 0, 0173 кг NH₃/кг води,

М _води - 18 кг/кмоль - молекулярна маса води,

= 17 кг/кмоль - молекулярна маса NH₃.

Мінімальна витрата абсорбенту:

= 0.988 кг/с.

Робоча витрата абсорбенту:

L = ц • = 1,3 • 0.988 = 1,284 кг/с,

ц- коефіцієнт надлишку, приймаємо ц = 1,3.

Кінцева концентрація NH₃ у воді:

= 0,0133 кг NH₃/кгводи.

Перевіряємо отримані результати за рівнянням матеріального балансу:

M = G(?_п - ?_к) = L(X_к - X_п)

0,0171 = 0,46(0,039 - 0,0019) = 1,284(0,0133 - 0),

0,0171 = 0,0171 = 0,0171. Баланс дотримується.

Рушійна сила масопередачі

Визначимо рушійну силу в одиницях концентрацій газової фази:

,де

;

,

- концентрація NH₃ на вході в абсорбер, рівноважна з концентрацією NH₃ у воді Х_к на виході з абсорбера; - концентрація NH₃ на виході з абсорбера, рівноважна з концентрацією у воді Х_п на вході в абсорбер.

Х_п = 0, = 0.

Рівняння рівноваги між фазами:

;

Знайдемо коефіцієнт розподілу mі :

= 2,25;

2,25 • = 0,0299 кг NH₃ / кг повітря.

= 0,0091 кг NH₃/ кг повітря;

= 0,0019 кг NH₃/ кг повітря;

= 0,0046 кг NH₃/кг повітря.

3.1 Швидкість газу і діаметр абсорбера

Діаметр абсорбера розрахуємо з рівняння витрат:

d = ,

де V - об'ємні витрати газу за робочої температури t в абсорбері, м³ / с;

V₀ - об'ємні витрати газу за нормальної температури t₀;

w - швидкість газу, віднесена до повного поперечного перерізу абсорбера (робоча швидкість), м/с.

Для ковпачкових тарілок гранично допустиму швидкість рекомендується розраховувати за рівнянням:

w = ,

де d_к - діаметр ковпачка, м; h_к - відстань від верхнього краю ковпачка до вище розташованої тарілки, м.

Робочу швидкість газу для ковпачкової тарілки приймають на 15 - 20% менше гранично допустимої.

w = м/с

= 1,26 м/с

= 0,58 м ? 0,6 м

0,92м/с

Вибираємо ковпачкову тарілку (додаток 5.1.2) ТСК - Р з характеристиками:

Вільний переріз колони - 0,28 м2;

Довжина лінії барботажу - 3,25мм;

Периметр зливу L, - 0,48 м;

Площа зливу - 0,012м2

Площа парових патрубків - 0,027 м2;

Відносна площа для проходження парів - 10%;

Кількість ковпачків 13.

Діаметр ковпачків 80 мм.

Розрахунок висоти колони.

Для розрахунку робочої висоти колони треба визначити кількість тарілок і відстань між тарілками.

Необхідну кількість тарілок визначають діленням загальної площі тарілок F на робочу площу f однієї тарілки.

n = F / f.

Для знаходження загальної площі тарілок звичайно використовують модифіковане рівняння масопередачі, в якому коефіцієнти масопередачі для рідкої К_хf і газової К_уf фаз відносять до одиниці робочої площі тарілки:

,

де М - маса речовини, яка переноситься через поверхню масопередачі за одиницю часу, кг / с; F - загальна робоча площа тарілок в абсорбері, м².

Визначення коефіцієнтів масопередачі, необхідної загальної площі тарілок і числа тарілок

Коефіцієнт масопередачі визначимо за рівнянням адитивності фазових дифузійних опорів:

,

де в_хf, в_уf - коефіцієнти масовіддачі, віднесені до робочої площі тарілки відповідно для рідкої і газової фаз, кг/(м² ?с).

Коефіцієнти масовіддачі будемо розраховувати за рівняннями:

в_хf = 6.24?10⁵? ;

в_yf = 6.24?10⁵.

У наведених рівняннях: D_x, D_y - коефіцієнти молекулярної дифузії компоненту, який поглинається, в рідині і газі, м² / с; U / (1 - е), w / е- середні швидкості рідини та газу у барботажному шарі, м / с; е - газовміст барботажного шару, м³ / м³; U - густина зрошування, м³/(м²?с); µ_х і µ_у - в'язкість рідини і газової суміші за робочих умов в абсорбері, Па?с; h₀ - висота світлого шару рідини на тарілці, м.

Густина зрошування U = L/(с_х?S_т) = 1,284/(999?0,785) = 1,6?10^-3 м³/(м²?с) (S_м - робоча площа тарілки).

Висоту світлого шару рідини для ковпачкових тарілок визначимо за залежністю:

h₀ = 0,0419 + 0,19 h_пер - 0,0135w?с_у + 2,46 q,

де h_пер - висота переливної перегородки, м; q - лінійна густина зрошування, м³/(м?с), яка дорівнює q = Q/L_з=1,3•10^-3/0,665=0,002=2•10^-3; Q - об'ємні витрати рідини, м³/с; L_з - периметр зливу (ширина переливної перегородки),м.

Q = L/с_р = 1,284/999 =0,0013= 1,3?10^-3 - об'ємні витрати рідини, м³/с.

Приймаємо висоту переливної перегородки h_пер = 40?10^-3 м, тоді

h₀ = 0,0419 + 0,19 (40?10^-3)- 0,01350,65?1,48+ 2,46 •0,002=0,03 м,

h₀₌0,03 м.

Газовміст барботажного шару знайдемо за рівнянням (4.80):

е = ,

Fr = w² / (gh₀).

Критерій Фруда Fr = 0,65²/(9,81?0,03) = 1,44

е = 1,44^0,5 /(1 + 1,44^0,5) = 0,375 м³/м³.

Коефіцієнт дифузії аміаку у воді при 20⁰С D_х = 1,83?10^-9 м²/с (додаток 5.1). При 20⁰С:

D_х = D₂₀⁰ [1 + 0,02(t - 20)] = 1,83?10^-9[1 + 0,02(20 - 20)] = 1,87?10^-9 м²/с.

--динамічна в'язкість: NH₃м₁=11•10^-6 Па•с;

повітря м₂=19•10^-6 Па•с;

=1,53·10^-6

µ_сум = = 11,6•10^-6

В'язкість рідкої фази µ_р = 1,005?10^-6 Па?с.

Коефіцієнти масовіддачі:

в_хf = 6.24?10⁵?(1,87?10^-9)^0,5[1,6?10^-3/(1 - 0,375)]^0,5?0,03?[11,6/(11,6 + 1,005)]^0,5.

в_хf = 3,9?10^-2 м/с.

в_yf = 6.24?10⁵?(1,74?10^-5)^0,5?(0,65/0,375)^0,5?0,03?[11,6/(11,6 + 1,005)]^0,5.

в_yf = 98,62 м/с.

Виразимо в_х в обраній для розрахунку розмірності (додаток 5.7):

в_х = 3,9?10^-2(с_р - ) = 3,9?10^-2(999 - 6,6) = 38,70кг/(м²?с).

де = = = 999?0,00665/1,00655 = 6,6 кг/м³ - середня об'ємна масова концентрація аміаку в рідині; - середня відносна масова концентрація аміаку у рідині.

Аналогічно в газовій фазі:

в_г = 98,62(с_г - ) = 98,62( 1,48 - 0,047) = 141,32 кг/(м²?с).

де = с_г?= 1,48?0,032 = 0,047 кг/м³ - об'ємна масова концентрація газу;

= ( = (0,063 + 0,01019)/2 = 0,032 кг аміаку/кг суміші.

Коефіцієнт масопепредачі:

= = 15,38 кг/(м²?с).

Загальна площа тарілок:

F = М/() = 0,0171/(15,38?0,0046) = 0,24 м².

Кількість тарілок:

n = F/f = 0,24/0,09 = 2,6.

Приймаємо кількість тарілок n = 3.

3.2 Вибір відстані між тарілками й визначення висоти абсорбера

Відстань між тарілками складається з висоти барботажного шару (піни) h_n і висоти сепараційного простору h_c:

h = h_n + h_c

Для ковпачкових тарілок, бризко виніс розраховують за рівняннями:

3600Е

= 0,65 = 0,02

3600Е 4.

звідки h_с: 0,231

Висоту барботажного шару визначаємо по залежності:

h₀ = (1 - е)h_п.

h_п = h₀/(1-е) = 0,03/(1-0,375) = 0,048 м.

Відстань між тарілками:

h = 0,048 + 0,231 = 0,279 м.

Вибираємо з стандартного ряду відстань між тарілками h = 0,25 м.

Висота тарілчастої частини абсорбера

Н_т = (n - 1)h = (3 - 1)?0,25 = 0,5 м.

Загальна висота абсорбера

Н = Н_т + h_в + h_н,

де h_в - відстань від верхньої тарілки до кришки абсорбера, м і h_н - відстань між днищем абсорбера й нижньою тарілкою, які приймаються з конструктивних міркувань (звичайно, h_н приймають (1ч1,5)d).

Приймемо h_в = 2 м; h_н = 1 м.

Тоді Н = 0,5 + 2 + 1 = 3,5 м.

Гідравлічний розрахунок колони

Гідравлічний опір сухої тарілки визначаємо по залежності:

,

де F_в- відносне вільне січення тарілки; о- коефіцієнт гідравлічного опору сухої сітчастої тарілки (табл.. 4.7).

?Р_с = 4?0,65²?1,48/(2?0,09²) = 154,32 Па.

Гідравлічний опір газорідинного шару на тарілці

ДP_n = gс_xh₀ = 9,81?999?0,03 = 294 Па.

Гідравлічний опір, обумовлений силами поверхневого натягу

ДP_у = 4у/d_e = 4?72,8?10^-3/0,005 = 58,24 Па

де - d_e = 0,005 м - еквівалентний діаметр отвору або щілини в тарілці, м;у - поверхневий натяг рідини, Н/м; у = 72,8?10^-3 Н/м.

Повний гідравлічний опір тарілки і колони в цілому

Опір тарілки:

?Р_т = ?Р_с + ДP_n + ДP_у = 154,32 +294 + 58,24 = 506,56 Па.

Опір колони:

?Р = ?Р_т?n = 506,56?3 = 1519,68 Па.

Конструктивний розрахунок колони

Штуцери

Діаметр штуцерів розраховується по формулі:

d = ,

де G - масова витрата, кг/с

с - густина речовини, кг/м³

w - швидкість руху речовини в штуцері.

Приймаємо швидкість рідини в штуцері w = 1 м/с, а для газової суміші

w = 25 м/с, тоді:

діаметр штуцера для входу й виходу води:

d_1,2 = (1,284/0,7851999)^0,5 = 0,04м,

приймаємо d_1,2 = 50 мм.

діаметр штуцера для входу й виходу газової суміші:

d_3,4 = (0,49/0,785251,48)^0,5 = 0,13 м,

приймаємо d_3,4 = 200 мм.

Усі штуцери забезпечуються плоскими приварними фланцями за ГОСТ 12820-80, конструкція й розміри яких показані нижче:

Рис. 8. Фланці штуцерів

Розрахунок опори.

Апарати вертикального типу із співвідношенням Н/D > 5, розташовувані на відкритих площадках, оснащують циліндричними опорами, конструкція яких приводиться на рис. 9.

Розрахуємо орієнтовну масу апарата.

Маса обичайки:

m_об = 0,785()Н_зс

де D_з = 0,816 м - зовнішній діаметр колони; D_вн = 0,8 м - внутрішній діаметр колони;

Н_з = 3,5 м - висота циліндричної частини колони; с = 7900 кг/м³ - густина сталі.



Рис. 9. Циліндрична опора апарата

m_об = 0,785(0,816²-0,8²)3,5·7900 = 561,21 кг.

Позначимо: m₁ - маса тарілки ТСН - ІІІ, кг; m₂ -маса пари фланців, кг; m₃ - маса опорної решітки, кг; m₄ - маса днища, кг; m₅ - маса кришки, кг; m₆ - маса насадки, кг.

За даними [8]: m₁ = 7,6 кг; m₂ = 135 кг; m₃ = 74 кг; m₄ = 60 кг; m₅ = 159 кг.

Підрахуємо масу насадки.

Насипна густина насадки с_н = 530 кг/м³; m₆ = 0,785 d²Нс_н = 0,785?0,8²?0,5?530 = 133 кг.

Маса води у вільному об'ємі насадки при гідровипробовуванні

m₇ = 0,785 d²Н_н с_ве = 0,785?0,8²?0,5?1000?0,785 = 197,192 кг. (с_в - густина води).

Орієнтовна маса води (при гідровипробовуванні) в об'ємі колони, не зайнятому насадкою:

m₈ = 0,785?d²(Н - Н_н)с_в = 0,785?0,8²?(3,5 -0,5)?1000 = 1507,2 кг.

Загальна маса колони із запасом 10% (на люки, штуцери, вимірювальні прилади тощо)

m_к = 1,1(m_об + m₁ + m₂ + m₃ + m₄ + m₅ + m₆ + m₇ + m₈) =

= 1,1(865 + 7,6 + 135 + 74 + 60 + 159 + 133+ 197,192+ 1507,2) = 3117,62 кг.

Загальна вага колони: G = m_кg = 3117,62?9,8 = 30552,68 Н.

Прймемо внутрішній діаметр опорного кільця D₁ = 0,5 м; зовнішній діаметр опорного кільця D₂ = 1,2 м.

Площа опорного кільця

S = 0,785(D₂² - D₁²) = 0,785(1,2² - 0,5²) = 0,93 м².

Питоме навантаження опори на фундамент

у = G/S = 30552,68/ 0,93 = 32852 Па = 0,032МПа.

Допустиме питоме навантаження на бетоний фундамент [2]

у_ф = 15 - 25 МПа. Таким чином, у < у_ф. Механічний розрахунок колони

Товщина обичайки:

,

де D = 0,6 м - внутрішній діаметр апарату;

р = 0,02 МПа - надлишковий тиск в апараті;

[у] = 230 МПа - граничненапруження для сталі Х18Н10Т;

ц = 0,8 - коефіцієнт послаблення обичайки із-за зварного шва;

С_к = 0,001 м - добавка на корозію.

= 0,001 м.

Відповідно до рекомендацій [2 ] приймаємо товщину обичайки д = 8 мм.

Опорна решітка

Шар насадки розташовується на опорній решітці, конструкція якої показана на рис. 10:

Рис. 10. Конструкція опорної решітки

Для завантаження й вивантаження шару насадки в корпусі колони повинні бути передбачені два люки: один - під розподільною тарілкою, другий над опорною решіткою.

Діаметр люка для колон діаметром 600 і 800 мм - 250 мм.

Днища

Найбільше поширення в хімічному машинобудуванні одержали еліптичні відбортовані днища за ГОСТ 6533 - 78 [4], товщина стінки днища = 8 мм.



Рис. 11. Еліптичне днище

Маса днища m_д = 32 кг.

Размещено на Allbest.ru

...